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為什麽說 CPU 是人造物的巔峰?

2020-03-17數位

如果把超大規模的芯片開啟,會發現其內部結構的復雜程度堪比一座大型的城市,如下圖所示。以蘋果 M1 Ultra芯片為例,內部整合了1140億晶體管,擁有20個CPU核心、64個GPU核心和32個NPU核心(盡管現在很多處理器芯片,包括高通驍龍、蘋果M系列等都屬於SoC芯片,但人們仍然習慣稱他們為CPU)。作為對比,超一線城市上海人口「僅為」2500萬左右,和M1 Ultra芯片的晶體管數目相比還是太少了。

把CPU和城市作類比,其中的控制及協調模組可以類比為政府及協調部門、電源模組相當於供電部門、內部的走線相當於街道,而其中一個有一個的小模組可以看做是小區、工業區、大學城等。但和城市不同的是,這些復雜的功能模組都要整合在指甲大小的芯片中,並且實作大規模的量產,實作算力普惠,這一切的一切,沒有眾多前沿學科技術的支撐是無法完成的。

芯片內部微觀結構示意圖

可以進一步從CPU誕生的幾個細微之處來體味一下,為什麽說CPU是人造物的巔峰。第一個是在制作晶圓的時候,要進行矽提純。首先將沙石原料放入一個電弧爐中,在高溫下發生還原反應得到冶金級矽,然後將粉碎的冶金級矽與氣態的氯化氫反應,生成液態的矽烷,最後透過蒸餾和化學還原工藝,得到了高純度的單晶矽,其純度要達到99.999999999%,即11個9,才符合晶圓制作的標準。作為對比,市面上所宣傳的999或9999足金首飾,在晶圓級別的矽面前,雜質還是太多了。

第二個細節是薄薄的高端芯片中,居然有上百層電路 。在晶圓上經過一次鍍膜、塗膠、曝光、顯影、除膠等步驟,便可形成一層電路。如果把一層電路比作一層樓,那麽芯片內部到處都是摩天大樓,頗為壯觀!只不過芯片內部的「大樓」層高只有幾奈米,如下圖所示。

芯片內部尺寸

第三個細節是CPU是微觀的藝術,是跳躍在原子尺度上的浪漫,它的精密程度以及它數十年如一日的準確運算,即便是人類最天才的大腦,在它的面前都只能俯首稱臣。它的復雜性、巧妙性、邏輯性都處在人類所能理解的巔峰!

如果未來有一天,人類要透過一件物品向宇宙展示自己的科技實力,我不會選擇航空發動機,也不會選擇航母,而是選擇一顆芯片。速度和龐大在宇宙中並不起眼,而方寸之間的芯片內部,隨處都在訴說著這個星球上的智慧和文明。